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Oggetto:
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Physical Chemistry

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Physical Chemistry

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Academic year 2014/2015

Course ID
MFN1343
Teaching staff
Prof. Silvia Bordiga (Titolare del corso)
Dott. Lorenzo Maschio (Titolare del corso)
Dott. Elena Clara Groppo (Titolare del corso)
Degree course
Laurea Magistrale in inglese -MaMaself
Year
1° anno
Teaching period
Secondo semestre
Type
Caratterizzante
Credits/Recognition
8
Course disciplinary sector (SSD)
CHIM/02 - chimica fisica
Delivery
Tradizionale
Language
Inglese
Attendance
Facoltativa
Type of examination
Scritto ed orale
Prerequisites
Buone basi di fisica e chimica fisica ,meccanica quantistica, struttura atomica, legame chimico, termodinamica e termochimica, elementi basilari di cristallografia, conoscenza di tecniche spettroscopiche di indagine.
Solid basis in physics and chemistry, atomic structure, chemical bond, termodinamicand thermochemistry,
crystallography, knowledge ofspectroscopies
Oggetto:

Sommario del corso

Oggetto:

Course objectives

Nella prima parte il corso si propone di fornire strumenti generali per la costruzione di funzioni d’onda multielettroniche.

Nella seconda, l’obiettivo è quello di fornire strumenti teorici e sperimentali che permettano la comprensione dei fenomeni che avvengono alla superficie dei materiali, a partire dall’adsorbimento fino alla reattività.

The goal in the first part of the course is to give general tools for multielectronic wave function building. In the second part the main goal is to supply theoretical tools and experimental methods for understanding the phenomena occurring at the surfaces of the materials, from adsorption to reactivity.

Oggetto:

Results of learning outcomes

Comprensione dei fattori dominanti dell’interazione interelettronica, e conoscenza delle tecniche teoriche più comuni per il loro studio.

 Capacità di prevedere, interpretare e studiare con le opportune tecniche sperimentali i fenomeni che avvengono alle interfasi liquido-solido, solido-solido e in particolare alla interfase solido-gas. Principi base di catalisi: come vengono attivate molecole semplici da parte di sistemi omogenei e alla superficie dei materiali e perché. Reattività alle superfici di diverse categorie di materiali: single-sites, ossidi isolanti, ossidi semi-conduttori, metalli e nano-particelle metalliche.

Understanding of the leading factors of the inter-electronic interaction, and knowledge of the most diffuse theoretical techniques for their study.

Ability to foresee, understand and study by the suitable experimental techniques the liquid-liquid,  solid-solid and in particular solid-gas interface phenomena. Basic principles of catalysis: types of activation of simple molecules by homogeneous systems and by surfaces, and why. Reactivity at surfaces of different kind of materials: single-sites, metal-oxides having insulating or semi-conducting properties, metals and metal nanoparticles.

Oggetto:

Learning assessment methods

Scritto per la prima parte; orale per la seconda

Written for the first part; Oral for the second

L’esame prevede una prova scritta, seguita da una prova orale integrativa nel corso della quale verrà discussa e valutata la relazione scritta relativa alle esperienze di laboratorio. Per gli studenti italiani sarà possibile sostenere l'esame in lingua italiana

Oggetto:

Program

–        Elementi di Chimica quantistica dei materiali.

–        Il problema multielettronico: funzioni multi e mono –elettroniche; antisimmetria e detor.

–        Hamiltoniana e i suoi termini, operatori di momento angolare, mono e multielettronici.

–        Il metodo di Hartree-Fock e la sua equazione; elementi di matrice tra detor: le regole di Slater; l’Interazione di Configurazioni; Teorema di Brillouin; il metodo perturbativo di Moeller Plesset e il Coupled Cluster. Il funzionale della densità.

–        I gruppi finiti e le regole di selezione per gli elementi di matrice, operatore proiezione; elementi di teoria delle bande, spazio reciproco e prima zona di Brillouin; funzioni di Bloch e teorema relativo.

–        Livello di Fermi e superficie di Fermi; il problema multielettronico per i sistemi cristallini.

 –        Fenomeni d'interfaccia.

–        L'interfaccia liquido-solido: viscosità, tensione superficiale e interfacciale, capillarità.

–        L’interfaccia solido-gas ed il fenomeno dell'adsorbimento.

–        Aspetti termodinamici elementari del processo d'adsorbimento e loro valutazione sperimentale.

–        La fisisorzione: il modello BET, l’area superficiale, la porosità superficiale e loro determinazione. La chemisorzione: i principali tipi di isoterma, atti alla descrizione della chemisorzione, e le informazioni che ne derivano. Chemisorzione molecolare e dissociativa su metalli, su ossidi, su ossidi riducibili e su nanocompositi metallo-ossido: effetti elettronici, chemisorzione cumulativa e depletiva.

–        L’interfaccia solido-solido: considerazioni termodinamiche all’interfaccia metallo-ossido (adesione, bagnabilità reciproca, riducibilità dell’ossido), effetti elettronici all’interfaccia metallo-semiconduttore. 

–        Metodi sperimentali per la caratterizzazione di sistemi metallo-ossido capaci di agire da catalizzatori per reazioni tra gas: valutazione del ruolo del supporto e delle dimensioni delle particelle metalliche.

–        Reattività di singoli siti: a) Complessi omogenei come singoli siti perfetti: il catalizzatore di Wilkinson per reazioni di idrogenazione; i metallocene per le reazioni di polimerizzazione delle olefine. b) Singoli siti su superfici: zeoliti protoniche; TS-1; il catalizzatore Phillips Cr/SiO2.

–        Reattività di metalli: a) Reattività di superfici metalliche estese (singoli cristalli); b) da cristalli singoli a nano-particelle; c) idrogenazione di idrocarburi e come indurre la selettività.

–        Reattività di ossidi: a) proprietà di bulk e di superficie di ossidi; b) reattività di ossidi con proprietà isolanti: la silice e l’ossido di magnesio; b) reattività di ossidi con comportamento di semi-conduttori (ossido di zinco e biossido di titanio).

–        Reattività di metallo cloruri: i catalizzatori Ziegler-Natta per la polimerizzazione delle olefine come esempio di sistemi complessi.

–        Materials quantum chemistry.

–        The multielectronic problem. Mono and multi-electronic functions; detor and antisymmetry.

–        Terms in the hamiltonian. Mono and multi particle angular momentum operators.

–        The Hartree-Fock method and equation. Matrix elements among detors: the Slater rules. The configuration Interaction, The Brillouin theorem. The Moeller Plesset perturbative scheme and the Coupled Cluster method. The Density Functional Theory.

–        Finite Groups and selection rules for the matrix elements of the hamiltonian. Projector Operator; Band theory; reciprocal space and first Brillouin zone. Bloch functions and Bloch theorem.

–        The Fermi level and Fermi surface. The multi-electronic problem for crystalline systems.

 –        Interface phenomena.

–        Solid-liquid interface: viscosity, surface and interfacial tension, capillarity.

–        Solid-gas interface and adsorption. Elementary thermodynamic aspects of the adsorption process and their experimental evaluation.

–        Physisorption: BET model, surface area, surface porosity and their determination.

–        Chemisorption: main isotherm models for its description and information that could arise from. Molecular and dissociative chemisorption on metals, oxides, reducible oxides, and on metal-oxide nanocomposites: electronic effects, cumulative and depletive chemisorption.

–        Solid-solid interface: thermodynamic consideration at the metal-oxide interface (adhesion, mutual wettability, oxide reducibility), electronic effects at the metal-semiconductor interface.

–        Experimental methods for the characterization of metal-oxide systems able to catalyze reactions between gases: evaluation of  the support role and of the metal particle size role.

–        Reactivity at single-sites: a) Homogeneous complexes as “perfect” single-sites: The Wilkinson catalyst for hydrogenation reactions; Metallocene catalysts for olefin polymerization b) Heterogeneous single-sites: protonic zeolites; TS-1; the Phillips catalyst Cr/SiO2.

–        Reactivity at metal surfaces: a) Reactivity of extended metal surfaces (single crystals);  b) From single crystals to nanoparticles; c) Hydrogenation of hydrocarbons and how to induce selectivity.

–        Reactivity at metal-oxides: a) Bulk and surface properties of metal oxides; b) Reactivity of metal-oxides having insulating behavior: Silica and silica-based materials; magnesium oxide; c) Reactivity of metal-oxides having semi-conducting behavior (zinc oxide and titanium dioxide).

–        Reactivity of metal chlorides: Ziegler-Natta catalysts for olefin polymerization as an example of complex systems.

Suggested readings and bibliography

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Dispense docenti

slides and notes given by the professors



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Note

Tipologia Insegnamento

Llezioni frontali : 56 ore, laboratorio: 16 ore. totale 72 ore

 Frequenza:

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

Lessons 56 hours; laboratory 16 hours; Total 72.
The attendance at the lessons is not compulsory. The attendance at the laboratory is compulsory and cannot be less than 70% of the total

 

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Last update: 18/05/2015 11:12
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